「セルラー」ネットワーク:化学機械振動を利用した、製造されたマイクロカプセル内のプロトセルビームの模倣。(The “Cellular” Network:Utilizing Chemo-Mechanical Oscillations to Mimic Protocell Behavior in Manufactured Microcapsules)

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2022-10-05 ピッツバーグ大学

初期の細胞は複雑な生化学的機構を備えていなかったため、多細胞生物に進化するためには、細胞の移動とコロニー形成を促す化学シグナルを生成する単純な機構が必要であった。
ソフトロボティクスなどの分野を発展させるためには、このような動作を合成システムで再現することが必要である。
研究者たちは、赤、青、緑のカプセルを含むコンピューターモデルを利用した。適切な反応物を加えると、各カプセルは相互に関連した3つの反応のうちの1つを引き起こし、反応物を生成物に変換する。生物触媒反応ではよくあることだが、反応物質と生成物の体積が異なると、流体には密度勾配が生じ、自然に浮力が発生する。この力が周囲の溶液の流れを促進し、カプセルを推進させる。
流れによって3種類のカプセルが十分に接近すると、化学的な「コミュニケーション」がより活発になり、「3つ組」が空間的・時間的に化学・機械的振動を起こすようになる。
当初は時間に依存しない化学信号のやりとりを行っていた単純なシステムが、アメーバのコロニーにおける化学誘引物質cAMPの振動や、生きた心臓の周期的な鼓動のような化学-力学振動を示すコロニーへと自己組織化するのである。このシステムは、カプセルの運動のための「燃料」が自己生成され、流体の自発的な運動がカプセルのコミュニケーションとバイオミメティックな集団振動を促すため、生命のような自律性を示す。触媒作用を引き起こす反応物質があれば、残りのプロセスはシステム自体によって達成される。
化学溶液中に自然に発生する浮力と結合した単純な化学プロセスが、生命の初期の形態と同様に、潜在的に、複雑なシステムと運動を形成するための粒子の命令を提供することを示した。

<関連情報>

化学振動する可動式カプセルの実物大の挙動 Lifelike behavior of chemically oscillating mobile capsules

Oleg E.Shklyaev,Anna C.Balazs
Matter  Published: July 20, 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063

Highlights

•Dynamics of mobile catalytic capsules in solution can mimic the behavior of protocells
•Chemical reaction networks enable the exchange of signals between separate capsules
•Chemical heterogeneities in fluids enable aggregation of capsules into mobile colonies
•Reconfigurable clusters produce lifelike collective chemo-mechanical oscillations

Progress and Potential

Growth in the complexity of biological systems typically involves the aggregation of basic structural units into stable colonies and communication among the units to develop collective responses. The evolution of early cells into multicellular organisms was potentially facilitated by simple physicochemical processes in solution, which simultaneously promoted aggregation and communication. We model such synergistic behavior in a system of synthetic microcapsules. Analogous to the cell, communication among the capsules occurs through the exchange of signaling chemicals and development of local chemical gradients that drive fluid flows. The induced flows in turn can transport and assemble capsules into large colonies. Demonstrating this interdependence between aggregation and communication provides new insights into the role of the chemical networks in the evolution of early cellular assemblies and yields new guidelines for designing synthetic active matter with lifelike properties.

Summary

Inspired by the self-organization of unicellular species into multicellular organisms, we use theory and simulation to design a system of mobile, active microcapsules that produce chemicals according to a catalytic reaction network (CRN). In solution, the catalytic reactions generate a force that drives the flow of the surrounding fluid. The convective flow, in turn, transports the capsules to new chemical surroundings with each successive translation. Consequently, the chemical signal produced by a cluster of capsules is critically dependent on the proximity and spatial configuration of the neighboring capsules. If all of the capsules and chemical products involved in the CRN lie within sufficient proximity, then the system develops oscillatory behavior that drives the dynamic self-assembly of capsules into larger clusters that are capable of collective action. These simulations indicate potential chemo-mechanic mechanisms that enable single cellular units, such as ameba, to organize into multicellular life forms.

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